JPWO2015052744A1

JPWO2015052744A1 - レーザ装置

Info

Publication number: JPWO2015052744A1
Application number: JP2014509543A
Authority: JP
Inventors: 孝文河井; 小島　哲夫; 哲夫小島; 鈴木　寛之; 寛之鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2017-03-09
Also published as: TW201513957A; WO2015052744A1

Abstract

必要なレーザ光を出力し、不要なレーザ光を出力しないレーザ装置において、レーザ光を発生させるレーザ光発生部３と、レーザ光が照射されることにより発電する発電部４と、レーザ光発生部３から発生されたレーザ光のうち、不要なレーザ光の光路と、必要なレーザ光の光路とを異なる光路に変更する光学手段８とを備え、発電部４には不要なレーザ光が照射されることを特徴とするレーザ装置。光学手段と発電部との間の光路上に、径拡張手段をさらに備えることを特徴とするレーザ装置。

Description

この発明はレーザ装置に関するものである。

レーザ装置には、例えば波長変換結晶にて入射された基本波長のレーザ光を波長変換して、高倍波のレーザ光を発生させるものがある。このとき、例えば３倍波を生成する場合、基本波、２倍波も同時に生成される。３倍波レーザ光がレーザ加工に必要な場合、従来のレーザ発振器は波長変換後の不要なレーザ光（基本波、２倍波レーザ光）をダンパーに吸収させていた。（例えば、特許文献１参照）

特開２００１−５３３５８（第７頁、第１１図）

エネルギー効率の観点からは、不要なレーザ光を発生させないことが最も望ましいが、例えば上記従来技術のように波長変換を行う場合、変換効率は３割程度であり、７割程度のエネルギーを捨てているという問題がある。また、現状では、不要なレーザ光の発生を大幅に削減することは困難であるという問題もある。
この発明の目的は、不要なレーザ光から電力を発生させることで、不要なレーザ光を再利用することができるレーザ装置を得るものである。

この発明にかかるレーザ装置においては、レーザ装置の出力として不要なレーザ光を発電素子に照射することで発電するものである。

この発明は、レーザ装置の出力として不要なレーザ光を発電素子に照射させることにより、不要なレーザ光から発電することができる。これにより、エネルギー効率の高いレーザ装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１におけるレーザ装置を示す図である。この発明の実施の形態１におけるレーザ光発生部の一例を示す図である。この発明の実施の形態１における別の一例を示す図である。この発明の実施の形態１におけるレーザ光発生部の別の一例を示す図である。この発明の実施の形態２におけるレーザ装置を示す図である。この発明の実施の形態３におけるレーザ装置を示す図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１におけるレーザ装置を示す図である。本実施の形態では、レーザ光発生部３から発生されたレーザ光から波長変換部８により、３倍波を発生させ、３倍波のレーザ光を加工に用いるレーザ装置において、本発明を適用したものである。図１のレーザ装置１は、レーザ光発生部３、波長変換部８、波長分離ミラー９、発電素子４、電力蓄積器５を備え、発電素子４は電力蓄積器５と接続されている。波長分離ミラー９は、３倍波のみを通過させ、基本波、及び２倍波レーザ光の光路を９０°変える働きをする。

レーザ光発生部３は、例えば図２のように全反射ミラー（ＴＲ）１０、レーザ媒質であるロッド型ＹＡＧおよびレーザ媒質を励起する励起光源を備えたキャビティ１１、Ｑスイッチ１２、部分反射ミラー（ＰＲ）１３を備える。キャビティ１１で生成された光は全反射ミラー１０、部分反射ミラー１３で発振され、Ｑスイッチ１２を通り、出力される。なお、キャビティ１１はロッド型に限られず、結晶形状、或いは、スラブ型でもよいし、素材についてもＹＡＧに限られずＹＶＯ４でもよい。波長変換部８は、ＳＨＧ結晶８０（Ｓｅｃｏｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ），ＴＨＧ結晶８１（Ｔｈｉｒｄｈａｒｍｏｎｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の波長変換結晶で構成される。波長変換結晶はＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ、ＫＴＰなど、いずれの結晶でも良い。

次に本実施の形態にかかるレーザ装置１の動作について説明する。レーザ光発生部３から出射した基本波レーザ光は、波長変換部８に入力される。波長変換部８では、ＳＨＧ結晶８０により２倍波レーザ光が生成され、ＳＨＧ結晶で変換されなかった基本波レーザ光がこの２倍波レーザ光とともにＴＨＧ結晶８１に入射される。ＴＨＧ結晶８１では、基本波レーザ光、及び２倍波レーザ光から３倍波レーザ光が生成され、ＴＨＧ結晶８１通過後は、変換されなかった基本波レーザ光、２倍波レーザ光、および生成された３倍波レーザ光の３波長のレーザ光が同じ光路を進むことになる。ＴＨＧ結晶８１通過後のレーザ光は、波長分離ミラー９に到達すると、基本波レーザ光、及び２倍波レーザ光は光路を９０°変えられ、発電素子４に入射される。３倍波レーザ光は波長分離ミラー９を通過し、レーザ装置１から出力され、ワーク７の加工に用いられる。発電素子４に入射されたレーザ光は、発電され電力蓄積器５に蓄えられる。発生した電力は様々な用途に活用できる。即ち、レーザ装置１への電力供給の補助として使用してもよいし、レーザ装置１以外の装置への電力供給に用いてもよい。あるいは、電力蓄積器５を備えず、発電素子４により発電した電力を直接レーザ光発生器の電源補助としてもよい。また、従来のように、不要なレーザ光をダンパーに吸収させるレーザ装置はダンパーが発熱するためダンパー用の冷却装置が必要であったが、本実施の形態によるとダンパー用の冷却装置が不要なため、装置の小型化が可能となる。

以上のように、本実施の形態におけるレーザ装置１では、レーザ光発生部３から出射したレーザ光のうち、加工に必要な３倍波レーザ光は「レーザ装置から出射される、必要なレーザ光」であり、加工に必要のない基本波、または２倍波レーザ光は「レーザ装置から出射されない、不要なレーザ光」である。このように、加工に必要のない不要なレーザ光を発電素子４に入射するようにしたことで、不要なレーザ光からの発電が可能となり、レーザ光発生エネルギーを有効利用することができる。

なお、本実施の形態では、必要なレーザ光が３倍波レーザ光である場合を述べたが、必要なレーザ光が４倍波レーザ光であってもよい。その場合には、波長変換部８にＴＨＧ結晶８１ではなくＦＨＧ結晶（Ｆｏｒｔｈｈａｒｍｏｎｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）を設け、基本波レーザ光、２倍波レーザ光とともに４倍波レーザ光を出力させる。この場合も、不要なレーザ光（基本波レーザ光、２倍波レーザ光）を発電素子４に入射させることでレーザ光発生エネルギーを有効利用することができる。

なお、本実施の形態では、不要なレーザ光の光路を変更するために波長分離ミラー９を使用したが、例えば図３のようにプリズム１４を用いてもよい。プリズム１４を用いた場合、プリズム１４通過後の不要なレーザ光が照射される位置に発電素子４を設け、必要なレーザ光のみレーザ装置１から出力させればよい。なお、プリズム１４通過後の不要なレーザ光が複数方向に出射される場合、複数方向それぞれに発電素子４を設けてもよいし、複数方向に出射された不要なレーザ光それぞれをミラー等で光路調整し、最終的に１つの発電素子４に照射するようにしてもよい。

また、本実施の形態ではレーザ光発生部３を図２の構成としたが、これに限られるものではなく、図４の構成としてもよい。図４は、レーザ光発生部３をファイバレーザ１５で構成した図である。ファイバレーザ１５で発生したレーザ光は増幅器１６で増幅され、出力される。また、レーザ光発生部３はディスクレーザでもよい。

また、発電素子４は、太陽電池を用いても良い。本実施の形態で必要な３倍波レーザ光は約３割程度で、その他の７割は不要なレーザ光（基本波、及び２倍波レーザ光）である。太陽電池の変換効率は一般に２割程度であるので、７割の不要なレーザ光を太陽電池に照射させると、レーザ光発生部３から出力された全レーザ光のうち、１．４割程度のレーザ光を発電に用いることができる。特に、太陽電池の中でもＣＩＳ系（銅、インジウム、セレンを主要元素とした化合物系）の太陽電池は、基本波レーザ光、及び２倍波レーザ光の波長帯域（５００〜１０００ｎｍ程度）に対する感度が良いため、これを用いると発電効率をさらに高めることができる。

また、発電素子に不要なレーザ光を照射させる場合、発電素子を損傷させないようレーザ光のエネルギー密度を下げるようにしてもよい。この場合、波長分離ミラー９と発電素子４の間の光路上にエキスパンドレンズ（径拡張手段）等を設置し、レーザ光のエネルギー密度を下げるよう径を広げる。これにより、エネルギー密度が下げられたレーザ光が発電素子に入射されることで、発電素子の損傷を防ぐことができる。

実施の形態２．
図５は、この発明を実施するための実施の形態２におけるレーザ装置を示す図である。実施の形態１に対し、波長変換部８、波長分離ミラー９がなく、シャッタ２が追加される構成となる。その他、同じ記号を付けている箇所は実施の形態１と同様のため、説明を省略する。シャッタ２は例えば全反射ミラーであり、後述する駆動部（図示せず）と接続され、駆動部は制御部（図示せず）に接続される。レーザ装置１から出力されるレーザ光は集光レンズ６により集光され、ワーク７に照射される。

実施の形態２におけるレーザ装置１の動作を説明する。制御部は、加工時、および非加工時を切り替えるため、駆動部を制御し、シャッタ２の位置を移動させる。図５（ａ）は、加工時（シャッタ２が開いている状態）の図であり、図５（ｂ）は非加工時（シャッタ２が閉じている状態）の図である。図５（ａ）に基づいて説明する。レーザ光発生部３は、内部でレーザ発振がなされ、レーザ光を生成する。レーザ光発生部３により発生したレーザ光は、集光レンズ６で集光され、ワーク７に照射される。この時、制御部が図示しない駆動部を制御し、シャッタ２は、レーザ光がレーザ光発生部３から集光レンズ６に至る光路を妨げない位置に移動されている。本実施の形態ではレーザ光発生部３から集光レンズ６までの光路が直線であるが、ミラー等で光路を折り返して集光レンズ６まで伝搬してもよい。なお、シャッタ２が開いている状態では、レーザ光はレーザ光発生部３から集光レンズ６に伝搬されるため、発電素子４にはレーザ光は入射しない。

次に図５（ｂ）に基づいて説明する。レーザ光発生部３により発生したレーザ光は、シャッタ２で光路を変えられ、発電素子４に入射する。この時、制御部が図示しない駆動部を制御し、シャッタ２は、レーザ光発生部３から集光レンズ６までの光路上で、レーザ光を集光レンズ６でなく発電素子４に入射する位置に移動される。このため、シャッタ２が閉じている状態では、レーザ光発生部３で発生したレーザ光は、集光レンズ６およびワーク７に照射されることがない。発電素子４は、入射したレーザ光から電力を発電し、電力蓄積器５に送られ、電力蓄積器５で電力が蓄えられる。蓄えられた電力は、実施の形態１と同様、様々な用途に活用できる。レーザ装置１への電力供給の補助として使用してもよいし、レーザ装置１以外の装置への電力供給に用いてもよい。あるいは、電力蓄積器５を備えず、発電素子４により発電した電力を直接レーザ光発生器の電源補助としてもよい。また、実施の形態１と同様、不要なレーザ光をダンパーに吸収させたときに発生する熱を冷却するためのダンパー用の冷却装置が不要なため、装置の小型化が可能となる。

本実施の形態では、レーザ装置１から出力されるレーザ光をワーク７の加工に用いており、加工時（加工の必要がある時）にレーザ光発生部３から出力されるレーザ光は「必要なレーザ光」であり、非加工時（加工の必要がない時）にレーザ光発生部３から出力されるレーザ光は「不要なレーザ光」である。このように、非加工時の不要なレーザ光を発電素子４に入射するようにしたことで、不要なレーザ光からの発電が可能となり、レーザ光発生エネルギーを有効利用することができる。また、非加工時もレーザ光を発生させているので、非加工時にレーザ光発生を止める場合よりもレーザ光発生部３の出力が安定する。また、本実施の形態でも実施の形態１と同様に、発電素子に不要なレーザ光を照射させる場合、発電素子を損傷させないようレーザ光のエネルギー密度を下げるようにしてもよい。これにより、発電素子の損傷を防ぐことができる。

実施の形態３．
本実施の形態では、発電素子４としてレーザ光が照射される面と反対の面との温度差により発電する熱電素子１７を用いる。図６は実施の形態３におけるレーザ装置１を示す図である。図２に対し、発電素子４として熱電素子１７を使用し、レーザ光吸収体１８、冷却装置１９を追加しており、その他は同様である。熱電素子１７はレーザ光吸収体１８と接しており、レーザ光吸収体１８と接する反対側の面が冷却装置１９と接している。熱電素子１７のレーザ光吸収体１８と接している面の温度はレーザ光吸収体１８の熱により発熱し、熱電素子１７の冷却装置１９と接している面の温度は冷却装置１９により冷却される。熱電素子１７はこの温度差から発電する。発電された電力は実施の形態２と同様電力蓄積器５で蓄積される。本構成においても、実施の形態１，２と同様に不要なレーザ光からの発電が可能となり、レーザ光発生エネルギーを有効利用することができる。

なお、実施の形態１、２と同様、発生した電力は様々な用途に活用できる。レーザ装置１への電力供給の補助として使用してもよいし、レーザ装置１以外の装置への電力供給に用いてもよい。あるいは、電力蓄積器５を備えず、発電素子４により発電した電力を直接レーザ光発生器の電源補助としてもよい。また、実施の形態１、２と同様、不要なレーザ光をダンパーに吸収させたときに発生する熱を冷却するためのダンパー用の冷却装置が不要なため、装置の小型化が可能となる。また、本実施の形態でも実施の形態１、２と同様に、発電素子に不要なレーザ光を照射させる場合、発電素子を損傷させないようレーザ光のエネルギー密度を下げるようにしてもよい。これにより、発電素子の損傷を防ぐことができる。

１レーザ装置
３レーザ光発生部
４発電素子
５電力蓄積器

Claims

必要なレーザ光を出力し、不要なレーザ光を出力しないレーザ装置において、
レーザ光を発生させるレーザ光発生部と、
レーザ光が照射されることにより発電する発電部と、
前記レーザ光発生部から発生されたレーザ光のうち、前記不要なレーザ光の光路と、前記必要なレーザ光の光路とを異なる光路に変更する光学手段とを備え、
前記発電部には前記不要なレーザ光が照射されることを特徴とするレーザ装置。
前記光学手段と前記発電部の間の光路上に、径拡張手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記光学手段は、前記レーザ光発生部から発生したレーザ光を入射させ、波長に応じて光路を変更する波長分離手段であり、
前記不要なレーザ光は、前記必要なレーザ光の波長と異なる波長のレーザ光であることを特徴とする請求項１から２のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記光学手段はシャッタ部である請求項１から２のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記レーザ光発生部は固体のレーザ媒質を備え、前記発電部としてＣＩＳ系太陽電池を用いることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ装置。